Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản

Số 4/2013

THÔNG BÁO KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY KHẢO NGHIỆM
MA SÁT PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
DESIGN AND FABRICATION OF TRIBOLOGY TESTING MACHINE
CONTROLLER USED FOR TEACHING AND RESEACH
AT NHA TRANG UNIVERSITY
Trần Văn Hùng1
Ngày nhận bài: 04/9/2012; Ngày phản biện thơng qua: 06/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/12/2013
TĨM TẮT
Bài báo này tóm tắt kết quả thiết kế và chế tạo bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát, bộ điều khiển giúp người
nghiên cứu quan sát quá trình thay đổi các thông số như lực ma sát, lực ép nhiệt độ,... Bộ điều khiển thiết kế có khả năng
điều khiển vận tốc trượt nhờ sử dụng thuật toán PID điều khiển tốc độ động cơ. Bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý
mẫu đã loại bỏ các giá trị nhiễu nên kết quả đo được tin cậy và chính xác hơn.
Từ khóa: bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát, giải thuật PID

ABSTRACT
This article presents the design and fabrication of tribology testing machine controller, the controller can help the
researchers to observe the changing process of parameters such as friction, force, temperature, ect.. The controller is able
to control the sliding velocity by using PID algorithm to drive the speed of the electric motor. By using sample processing
methods to reduce noise, so the measurement results are more reliable and accurate.
Keywords: tribology testing machine controller, PID algorithm

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ma sát ngồi (khơ) giữa các bề mặt tiếp xúc
là hiện tượng cực kỳ phức tạp, nó bị chi phối bởi

nhiều yếu tố như sự tác động của các yếu tố sử
dụng: tải trọng, tốc độ trượt và đặc biệt là tính chất
của vật liệu cũng như đặc tính hình học của bề mặt
tiếp xúc [1]. Mặc dù đã có nhiều cơng trình nghiên
cứu của các nhà khoa học trong và ngồi nước
đưa ra các mơ hình tốn để mơ tả hiện tượng ma
sát, nhưng cho đến nay chưa có mơ hình nào có
thể mơ tả một cách đầy đủ các mối quan hệ trong
q trình ma sát. Các mơ hình đưa ra chỉ có thể

1

giúp ta hiểu phần nào bản chất của hiện tượng,
cịn nhiều vấn đề phải bàn vì các thơng số đưa
ra trong các phương trình rất khó xác định và lựa
chọn chính xác cho mỗi trường hợp. Bản thân các
thơng số này cũng thay đổi trong q trình ma sát
do sự tương tác qua lại giữa các thông số cơ nhiệt
động học và tác động của môi trường hóa học. Vì
vậy, cơng cụ tốt nhất để xác định được hệ số ma
sát của cặp lắp ghép là thực nghiệm. Với phương
pháp và tiêu chuẩn thực nghiệm khác nhau giá trị
của hệ số ma sát của cùng một cặp lắp ghép cũng
có thể là các giá trị khác nhau.

KS. Trần Văn Hùng: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21



Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản
Đến nay đã có những thuyết và các cơng
thức được đưa ra để tính tốn giá trị hệ số ma
sát, nhưng chúng rất phức tạp. Các tham số trong
các cơng thức tính hệ số ma sát là các thông số
động, chúng biến đổi theo khơng gian và thời gian,
thường có tác động tương hỗ lẫn nhau, nên việc áp
dụng các mơ hình tốn này gặp nhiều khó khăn và
trong q trình thực hiện dễ gặp các sai lầm có tính
hệ thống. Phương pháp thực nghiệm với việc mô
phỏng điều kiện làm việc thực tế, trong điều kiện kỹ
thuật điện tử và tin học phát triển như hiện nay, đã
cho những kết quả rất khả quan, khơng những giúp
nhanh chóng xác định được giá trị của hệ số ma
sát mà cịn tìm được mối quan hệ giữa giá trị của
thông số này với các thông số liên quan khác. Các
thiết bị khảo nghiệm về ma sát hiện nay rất phong
phú, từ những thiết bị đơn giản đến các thiết bị có
kết cấu phức tạp ứng dụng các cơng nghệ hiện đại,
có khả năng khảo sát sự ảnh hưởng của các thông
số hoạt động, vật liệu, mơi trường đến hệ số ma
sát, có thể xác định được sự hao mịn cũng như
hiệu quả bơi trơn đối với các cặp ma sát.
II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu
- Bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát.
2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng dựa
trên tính tốn lý thuyết kết hợp với thực nghiệm,
trong đó chủ yếu vào phép “Trial and error” có định

hướng. Trong nghiên cứu này, các quả cân chuẩn
được sử dụng để chuẩn hóa bộ phận đo lực: bộ
điều khiển sẽ hiển thị giá trị thực đo được tương
ứng với từng quả cân, sau đó tìm ra các hệ số ki
(i: 1→n). Từ các hệ số ki ta sẽ xác định được độ
tuyến tính và hàm chuyển đổi các thông số khác
được tiến hành xác định tương tự vậy.
Qui trình nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển máy
khảo nghiệm ma sát theo các bước sau:
- Khảo sát yêu cầu kỹ thuật bộ điều khiển máy
khảo nghiệm ma sát;
- Tính tốn các giá trị đầu vào ra, từ đó thiết kế
sơ bộ hệ thống điều khiển;
- Xây dựng phương án chế tạo bộ điều khiển;
- Thử nghiệm, kiểm tra và hồn chỉnh.
Mơ hình điều khiển theo sơ đồ sau:

22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Số 4/2013

Hình 1. Sơ đồ điểu khiển

Máy tính (computer): Thay đổi, hiển thị và gửi
xuống MCU giá trị các tham số hệ thống như tốc
độ, nhiệt độ dầu bôi trơn. Số liệu của hệ thống sẽ
được hiển thị trên màn hình máy tính dưới dạng
đồ thị, liên tục theo thời gian. Đồng thời các giá
thị này sẽ được lưu trữ trên PC theo thời gian,
việc này giúp người sử dụng dễ dàng xử lý sau

khi khảo sát.
Vi điều khiển (MCU): Nhận lệnh trên PC, đo và
điều khiển tốc độ động cơ và nhiệt độ dầu. Các giá
trị thực tốc độ động cơ, nhiệt độ dầu bơi trơn được
tính tốn, cập nhật và gửi liên tục lên PC.
Cảm biến (Sensor): Cảm biến đo lực, cảm
biến đo nhiệt độ, encoder. Chúng biến đổi các đại
lượng vật lý không điện thành các đại lượng vật
lý dưới đạng dòng, áp, và tần số để MCU nhận
biết được.
Cơ cấu chấp hành (Actuator): Khuếch đại, cách
ly tín hiệu điều khiển từ MCU để điều khiển động cơ
và bộ gia nhiệt. Thanh điện trở nhiệt sẽ gia nhiệt cho
dầu bơi trơn. Từ 110VAC qua bộ điều khiển sau đó
chỉnh lưu về điện DC và cấp cho động cơ, tốc độ động
cơ được MCU đo dựa vào một Encoder quang gắn
vào đuôi động cơ.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1. Thiết bị khảo nghiệm ma sát
1.1. Sơ đồ tổng thể máy khảo nghiệm ma sát
Nhằm thực hiện chức năng đo đạc các thông
số ma sát, máy khảo nghiệm ma sát được thiết kế
có sơ đồ cấu tạo và mối tương quan các bộ phận
như sau:


Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản

Số 4/2013


Hình 2. Sơ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy khảo nghiệm ma sát
1. Khung máy
2. Giá đỡ cảm biến
3,4. Cảm biến đo tải
5. Lò xo
6,7. Ổ và gối đỡ trục chính
8. Bộ truyền động đai
9. Ống then hoa
10. Ổ đỡ và gối đỡ trục chính

11. Trục then hoa gắn mẫu thử
12. Mẫu thử
13. Đối mẫu thử
14. Vít me điều chỉnh đối mẫu thử và gây tải
15. Tay quay
16. Trục gá cảm biến đo lực ma sát
17. Cảm biến đo lực ma sát
18. Gối đỡ, cần gá đối mẫu thử

19. Trục, gá đối mẫu thử
20. Vít me căng đai
21. Động cơ biến tần
22. Vít me điều chỉnh thanh gá cảm biến mòn
23. Thanh gá cảm biến mòn
24. Bơm và thùng chứa vật liệu bôi trơn
25. Điện trở gia nghiệt vật liệu bơi trơn

1.2. Hình ảnh máy thử nghiệm ma sát

Hình 3. Máy thử nghiệm ma sát


Thông số kỹ thuật
- Vận tốc trượt: 0 đến 3m/s.
- Lực ma sát: 150 N.
- Cảm biến mòn: ±2mm ± 0.1mm.
- Lực tải trọng: 980 N.
- Lực gây tải (lực pháp tuyến): 1500 N.
- Nhiệt độ vật liệu bơi trơn: nhiệt độ phịng - 1500C.
- Cơng suất bộ phận gia nhiệt: 800 W.

- Đường kính mẫu thử quay (số 1): 75 mm.
- Kích thước mẫu trượt: hình cầu Ø12,7mm, trụ
Ø 3mm hoặc hình nêm, lăng trụ.
- Ghép nối máy tính: Cổng USB.
- Phần mềm: TRIBOLOGY NTU.
- Động cơ DC servo: 110VDC; 1,5 kW.
- Kích thước: dài 490mm, rộng 380mm, cao 900mm.
- Trọng lượng: 90kg.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23


Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản

Số 4/2013

2. Mạch điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển


Nguồn: Nguồn cho MCU là nguồn 5VDC. Sự
hoạt động ổn định của MCU phụ thuộc rất lớn vào
nguồn cấp. Nguồn cấp có thể là AC hoặc DC, với
điện áp từ 7V – 15V. Nguồn vào được chỉnh lưu
thành một chiều và được là phẳng bằng tụ hóa. Nhờ
IC ổn áp LM7805 đầu ra số 3 ln ổn định là 5VDC.
Ngồi nguồn 5VDC cấp cho vi điều khiển cịn cấp
nguồn ±12VDC để ni bộ khuếch đại. Sử dụng 2
IC LM7812 và LM7912 để ổn áp đầu ra [4].
Bộ điều khiển trung tâm: Đây là khối xử lý trung
tâm, chương trình thực thi sẽ được nạp vào trong MCU.

Để hoạt động được MCU cần thạch anh dao động
và mạch reset lúc bắt đầu cấp nguồn [2], [5].
Mạch khuếch đại và cách ly: Tín hiệu từ MCU
được cách ly với nguồn 110VAC và 220VAC. Tín
hiệu điều khiển từ MCU được cách ly qua optotriac.
Tín hiệu điều khiển trực tiếp tới triac. Trước khi đưa
ra động cơ, nguồn được chỉnh lưu về một chiều qua
cầu điốt. Điện trở gia nhiệt cho dầu thì cấp trực tiếp
nguồn từ Triac [4]. Bên cạnh đó, do tín hiệu đầu ra
của Loadcell nhỏ và vi sai nên nó cần phải qua một
bộ khuếch đại vi sai với hệ số k lớn [5].

3. Chương trình điều khiển máy
Giao diện điều khiển

Hình 5. Giao diện điều khiển


24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG


Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản
Có thể thay đổi nhiệt độ dầu và tốc độ động
cơ trên PC, đồng thời các giá trị thực sẽ được cập
nhật và hiển thị liên tục. Lực ma sát, tải tác dụng,
kích thước mịn cũng được cập nhật liên tục lên
PC với tần số 2 lần/giây. Ngồi ra chúng cịn được
hiển thị trên đồ thị để tiện theo dõi và so sánh sự
thay đổi giá trị trong một khoảng thời gian. Các
thơng số có thể quan sát trên đồ thị tại một thời
điểm bất kỳ dựa vào thanh bar thời gian. Bên cạnh
đó có thể thay đổi giá trị/một ơ hiển thị qua thanh
bar bên trái màn hình.
Xử lý số liệu và lưu trữ: Các giá trị sẽ tự động
lưu vào bảng Excel để người dùng tiện sử dụng
trong quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu. Trước
khi lưu trữ, các số liệu đã được xử lý sơ bộ với các

Số 4/2013
thuật tốn và phần cứng. Q trình này giúp giảm
nhiễu để các chuyên gia phân tích dễ dàng hơn.
Điều khiển tốc độ động cơ: Điều chỉnh tỷ lệ (P)
là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh
tỷ lệ với sai lệch đầu vào. Phương pháp điều chỉnh
tỷ lệ để lại một độ lệch (offset) sau điều chỉnh rất
lớn. Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỷ
lệ với điều chỉnh tích phân (I). Điều chỉnh tích phân
là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh

sao cho độ lệch giảm tới O. Khi hằng số thời gian
hoặc thời gian chết của hệ thống rất lớn điều chỉnh
theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng
kết hợp với điều chỉnh vi phân (D). Điều chỉnh vi
phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỷ lệ với tốc
độ thay đổi sai lệch đầu vào [3].

Hình 6. Giải thuật điều khiển tốc độ động cơ

Thuật toán xử lý mẫu đầu vào: Giá trị lấy mẫu đo được chịu rất nhiều tác động bởi nhiễu. Giá trị đo được
sẽ biến thiên cho dù đại lượng (lực, nhiệt độ,…) không đổi. Để giảm sai số trong q trình đo, ngồi giảm
nhiễu bằng phần cứng tơi cịn sử dụng các thuật tốn để xử lý mẫu đầu vào. Kết quả thu được chính xác và tin
cậy hơn.

Hình 7. Lưu đồ giải thuật loại nhiễu và tính giá trị trung bình

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25


Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản

Số 4/2013

4. Thử nghiệm đo ma sát
4.1. Phương pháp
Thử nghiệm theo tiêu chuẩn BOR: bảng 1 [1]. Đầu pin trượt trên vòng xuyến quay, áp lực 3.9 N, vận tốc
1.8 m/s (J.F. Archard, ASME Wear Control Handbook, M.B. Peterson and W.O.Winer, Ed., American Society of
Mechanical Engineers, 1980, p 38).
Bảng 1. Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại theo tiêu chuẩn BOR
(mơi trường khơng khí nhiệt độ trong phịng)

Vật liệu
Mẫu đứng yên

Mẫu chuyển động

Thép mềm

Thép mềm

Quy phạm kiểm
tra (a)

Hệ số ma sát động
(μđ)

BOR

0.62

4.2. Kết quả đo hệ số ma sát

Hình 8. Kết quả đo hệ số ma sát

Qua thực nghiệm cùng điều kiện với bảng 1,
kết quả đo hệ số ma sát của thiết bị so với tiêu
chuẩn BOR có khác nhau (thiết bị: 0.683; tiêu chuẩn
BOR: 0.62). Bên cạnh đó giá trị đo ln thay đổi thể
hiện bề mặt tiếp xúc vật liệu không đồng đều.
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Máy được thiết kế, chế tạo phù hợp kỹ thuật

công nghệ chế tạo ở nước ta. Những chi tiết quan
trọng địi hỏi độ chính xác của máy được gia công
trên các máy CNC. Kết quả thử nghiệm đo hệ số ma
sát của cặp ma sát thép mềm, thép mềm trên máy

theo tiêu chuẩn của BOR cho thấy rằng; hệ số ma
sát, tải, vận tốc trượt đo trên máy có kết quả tương
đương với tiêu chẩn thử nghiệm của BOR.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của đề tài luận
văn chúng tôi xin đề xuất:
Sử dụng cảm biến và bộ đo tốc độ cao, để từ
đó đáng giá ma sát tại các vị trên bề mặt tiếp xúc.
Viết chương trình trên máy tính để phân tích,
quản lý dữ liệu từ kết quả đo.
Viết chương trình mơ phỏng hoạt động của máy
dựa vào bộ thông số đã đo trên máy thực.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1.

Quách Đình Liên, 2009. Ma sát và hao mịn. Trường Đại học Nha Trang.

2.

Ngơ Diên Tập, 2003. Kỹ thuật Vi điều khiển với AVR. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
Tiếng Anh

3.


Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 2000. Modern control systems. Prentice Hall International.

4.

Ronaid J.Tocci, Frank J.Ambrosio, 2003. Microprocessors and microcomputers hardware and sofwware. Prentice Hall
International.

5.

Willis J.Tompkin, Jonh G.Webster, 1998. Interfacing Sensors To The Pc. Prentice Hall International.

26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG